Preparation and characterization of B-C-N hybrid thin films

Uddin, M. N.*; 下山 巖; 関口 哲弘; Nath, K. G.*; 馬場 祐治; 永野 正光*

JAEA-Research 2006-034, 72 Pages, 2006/06

JAEA-Research-2006-034.pdf:4.05MB

イオンビーム蒸着法によりホウ素,炭素,窒素からなる二次元薄膜(B-C-Nハイブリッド薄膜)を合成し、その電子構造と立体構造を放射光を用いた内殻分光法により調べた。B-C-Nハイブリッド薄膜は、種々の温度で高配向性熱分解グラファイト(HOPG)表面にボラジンガスの放電により生成したプラズマを蒸着させることにより合成した。薄膜の構造はX線光電子分光法(XPS)及びX線吸収端微細構造法(NEXAFS)によりその場観察した。XPS測定の結果、薄膜中のホウ素,炭素,窒素原子はB-C, B-N, B-C-Nなど種々の結合状態をとることがわかった。B-C-Nハイブリッドは高温で作成するほど効率よく生成し、ホウ素の濃度が低い領域ではB-C-N結合をもつ薄膜の生成が支配的になることを明らかにした。NEXAFSスペクトルには、B 1s軌道から的性格を持つ価電子帯の非占有軌道への共鳴吸収によるピークが明瞭に観測された。このピークの偏光依存性を調べた結果、ホウ素の濃度が低い領域においてグラファイトと同様な配向性をとる二次元状のB-C-Nハイブリッド薄膜が安定に存在することを明らかにした。

Substitution effect on orientation of organosilicon compounds (CH)SiX (X = F, Cl, Br, I, NCO) as studied using NEXAFS spectroscopy

関口 哲弘; 馬場 祐治; 下山 巖; Nath, K. G.*; Uddin, M. N.*

Journal of Physics; Condensed Matter, 17(36), p.5453 - 5466, 2005/09

https://doi.org/10.1088/0953-8984/17/36/002

ハロゲン置換,NCO-基置換した有機シリコン化合物について、その凝集試料のSi K吸収端近傍におけるX線吸収スペクトル(NEXAFS)測定とその偏光依存性測定を行い、その電子状態及び分子配向性、特に配向性が発生する機構を明らかにした。凝集表面において分子間の双極子-双極子相互作用により反平行配置を取りやすく、それが系全体の平均配向として現れること、正四面体型分子に近い構造の場合ほど最密充填構造をとり水平配向度が高くなる傾向があるなどのことが明らかとなった。また、スペクトルの蒸着速度依存性測定から動力学的要因によっても分子軸配向が影響を受けることを明らかにした。

B-C-N hybrid synthesis by high-temperature ion implantation

Uddin, M. N.; 下山 巖; 馬場 祐治; 関口 哲弘; Nath, K. G.; 永野 正光*

Applied Surface Science, 241(1-2), p.246 - 249, 2005/01

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2004.09.040

類似化合物であるグラファイトと六方晶窒化ホウ素はそれぞれ半金属と絶縁体であって電子構造は全く異なる。これにより両者のハイブリッド材料(B-C-Nハイブリッド)半導体的性質を持つことが期待されている。われわれはB-C-Nハイブリッドを合成するためにグラファイトにボラジン(BNH)をイオン注入することによりB-C-Nハイブリッド合成を試みた。実験は高エネルギー加速器研究機構放射光施設で行った。室温及び、YAGレーザーで600Cに加熱したグラファイトに3keVに加速したボラジンのプラズマをさまざまなフルエンスで打ち込み、B原子周囲の化学結合状態について光電子分光法(XPS)を用いて調べた。室温,600CでのB1s XPSスペクトルはともにB-C, B-N, B-C-N結合に由来するさまざまな成分を示したが、各成分の強度比は温度とフルエンスに大きく依存した。特にB-C-Nに帰属されるピークは室温で合成した試料に比し600Cで合成した試料において大きく成長し、ドミナントな成分になることが確認された。この結果によりB-C-Nハイブリッドは高温でのイオン注入により優先的に合成されることを示した。

グラファイトのB,Nドーピングによる局所構造変化

下山 巖; 馬場 祐治; 関口 哲弘; Uddin, M. N.*; 永野 正光*

no journal, , 

炭素材料へのヘテロ原子ドーピングにより形成される炭素アロイは触媒や半導体材料などの応用が期待されているが、ドーパント原子周囲の複雑な化学結合状態により構造解析は困難でドーピングと機能性との関連は十分明らかになっていない。そこでわれわれはボラジンを用いてBN共ドーピングしたグラファイトに対して吸収端近傍X線吸収微細構造(NEXAFS)の偏光依存性を調べ、ドーパント周囲の立体配置を調べた。低フルエンスで得られた試料のNEXAFSスペクトル中にはグラファイト的な大きな偏光依存性を示す*ピークと、それよりも小さい偏光依存性を持つ成分が観測された。この結果は歪んだ平面構造の立体配置を持つ局所構造の存在を示唆する。われわれは分子軌道計算を用いたクラスターの構造安定性の考察に基づいてグラファイトへのBNドーピングが5員環形成を誘起することを示し、この局所構造が5員環と6員環から形成されるフラーレンライク(FL)構造に起因することを提案する。また、FL構造とグラファイト構造の電子状態の比較から、期待される反応性の違いについても報告する。

NEXAFS偏光依存測定による有機シリコン化合物(CH)SiX(X = F, Cl, Br, I, NCO)の表面配向メカニズム

関口 哲弘; 馬場 祐治; 下山 巖; Nath, K. G.*; Uddin, M. N.*

no journal, , 

ハロゲン置換,NCO-基置換した有機シリコン化合物(CH)SiX(X = F, Cl, Br, I, NCO)について、その凝集試料のSi K吸収端近傍におけるX線吸収スペクトル(NEXAFS)測定とその偏光依存性測定を行った。NEXAFSスペクトルの偏光依存性から塩素体のSi-X結合が最も顕著な水平配向を示すことが明らかとなった。その電子状態及び分子配向性が発生する機構を熱力学データ,モデルクラスター分子の安定化構造,モル分子容,分子形状(全電子密度),双極子モーメントをもとに考察した。結論として、凝集表面において分子間の双極子-双極子相互作用により反平行配置を取りやすく、それが系全体の平均配向として現れること、正四面体型分子に近い構造の場合ほど最密充填構造をとり水平配向度が高くなる傾向がある。また、スペクトルの蒸着速度依存性測定から動力学的要因によっても分子軸配向が影響を受けることを明らかにした。

グラファイトへのB,Nドーピングによる5員環形成

下山 巖; 馬場 祐治; 関口 哲弘; Uddin, M. N.*; 永野 正光*

no journal, , 

炭素材料中へのBやNなどヘテロ原子のドーピングは、触媒活性の向上などの物性制御に用いられることが期待されているが、ドーパント周囲の構造は不明な点が多く、物性との関連も十分解明されてはいない。われわれはB, N共ドーピングしたグラファイトをNEXAFS分光法を用いて調べ、分子軌道法でその解析を行った。イオン注入法を用いてBN共ドーピングした高配向グラファイトのB, N K端NEXAFSスペクトルはグラファイト的な偏光依存性を示すとともに、副生成物であるh-BNのピークに比べてグラファイト中にドープされたB及びNに起因するピークは小さな偏光依存性を持つことが明らかにされた。この結果はドーパント付近で歪んだ平面構造を持つ立体配置が形成されたことを示唆する。われわれは5員環を含む曲面構造がその原因ではないかと考え、6員環だけからなる平面構造のものと5員環を含む曲面構造をとる2種類のモデルクラスターについて構造安定性を比較した。その結果B, N置換前に比べ置換後のモデルクラスターの生成熱差が大幅に低下するケースが見られた。この結果はB, N置換により5員環形成が誘起されるというわれわれの予想を裏付けている。

B-C-Nハイブリッド薄膜の内殻励起分光法による構造解析

下山 巖; Uddin, M. N.*; 馬場 祐治; 関口 哲弘; 永野 正光*

no journal, , 

発光素子や触媒などの応用が提案されているB-C-Nハイブリッドは結晶構造・組成・原子配置に依存して多様な電子構造をとることが理論的に予測されており、これまでさまざまな手法で合成が試みられてきた。しかし合成された試料の構造は不明な点が多い。そこでわれわれはその局所構造を調べるため吸収端近傍X線吸収微細構造(NEXAFS)分光法を用いた構造解析を行った。ボラジンのイオン化により得られるフラグメントイオンを3keVでグラファイトにイオン注入し、さまざまな組成のB-C-N薄膜を作成した。高温で合成した試料のNEXAFSスペクトルにはグラファイト的な偏光依存性を持つ複数のピーク中に異なる偏光依存性を持つ成分が存在することがわかった。この結果はB-C-N薄膜中にグラファイト的な平面構造と歪んだ平面構造が存在していることを示唆する。われわれはB, C, Nからなる幾つかの炭素モデルクラスターの生成熱を比較し、グラファイトのB, N置換により5員環形成が誘起されることを見いだした。そこでわれわれは歪んだ平面構造が5員環と6員環からなるフラーレン構造に起因することを提案する。

Formation of fullerene-like structure by low-energy ion beam doping

下山 巖; 馬場 祐治; 関口 哲弘; Uddin, M. N.*; 永野 正光*

no journal, , 

炭素材料にヘテロ原子をドーピングして形成されるさまざまな炭素アロイは触媒や半導体材料などの応用が期待されている。しかし、ドーパント原子がとりうるさまざまな化学結合状態により構造解析は困難でドーピングと機能性との関連は十分明らかになっていない。そこでわれわれはBN共ドーピングしたグラファイトに対して吸収端近傍X線吸収微細構造(NEXAFS)の偏光依存性を調べ、ドーパント周囲の立体配置を調べた。低フルエンスで得られた試料のNEXAFSスペクトル中にはグラファイト的な大きな偏光依存性を示す*ピークと、それよりも小さい偏光依存性を持つ成分が観測された。この結果は歪んだ平面構造の立体配置を持つ局所構造の存在を示唆する。われわれは分子軌道計算を用いたクラスターの構造安定性の考察に基づいてグラファイトへのBNドーピングが5員環形成を誘起することを示し、この局所構造が5員環と6員環から形成されるフラーレンライク(FL)構造に起因することを提案する。また、FL構造とグラファイト構造の電子状態の比較から、FL構造の持つ反応性についても報告する。